第四章儀表的抗干擾2

1、第四章 儀表的抗干擾,目前，電磁兼容性已成為工業(yè)過程測量和控制儀表的一項重要性能指標。由于測量和控制儀表總是和各類產(chǎn)生電磁干擾的設備工作在一起，因此不可避免地受電磁環(huán)境的影響。如何使熱工控制儀表在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作，這就是儀表的抗干擾問題。所謂干擾，就是出現(xiàn)在儀表傳輸線上各種影響儀表正常工作的非信號電量。,熱工控制儀表在現(xiàn)場使用時，各類干擾會通過不同途徑與儀表電路耦合，以致使信號發(fā)生畸變，造成誤差，影響儀表的正常工作。因此，了解

2、干擾來源、耦合方式和研究其消除方法，對熱工控制儀表的設計、制造、安裝、運行和維護都具有重要意義。,第一節(jié) 干擾的來源一、外部干擾干擾有時來自儀表外部，如高壓輸電線（變電站）、大功率電器（雷達）、無線電波（電視發(fā)射塔） 、汽車發(fā)動機的火花塞、日光燈、電鉆等。外部干擾有以下幾種類型。⒈ 天體和天電的干擾 天體干擾是由太陽或其他恒星輻射電磁波所產(chǎn)生的干擾。天電干擾是由雷電、大氣的電離作用、火山爆發(fā)及地震等自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁波和空間電

3、位變化所引起的干擾。圖為閃電產(chǎn)生的電磁干擾。,⒉ 機械的干擾 機械的干擾是指由于機械的振動或沖擊，使控制儀表中的電氣元件發(fā)生振動、變形，使連接線發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動、儀表接頭松動等。對于機械類的干擾主要是采取減振措施來解決，例如采用減振彈簧、減振軟墊、隔板等。,⒊ 熱的干擾 火電廠熱力設備在工作時產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動和環(huán)境溫度的變化都會引起控制儀表的電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，影響了控制儀表的正常工作。熱

4、量，特別是溫度波動以及不均勻的溫度場對控制儀表的干擾主要體現(xiàn)在以下幾個方面：,元件參數(shù)的變化（溫漂）、接觸熱電勢干擾、元件長期在高溫下工作時，引起壽命和耐壓等級降低等?？朔岣蓴_的防護措施有：選用低溫漂元件，采用軟、硬件溫度補償措施，選用低功耗、低發(fā)熱元件，提高元件規(guī)格余量，儀器的前置輸入級遠離發(fā)熱元件，加強散熱，采用熱屏蔽等。,⒋ 光的干擾 在控制儀表中廣泛使用著各種半導體元件，這些半導體元件在光的作用下會改變其導電性能，從

5、而影響控制儀表的正常工作。⒌ 濕度干擾濕度過高會引起絕緣體的絕緣電阻下降，漏電流增加；電介質(zhì)的介電系數(shù)增加，電容量增加；吸潮后骨架膨脹使線圈阻值增加，電感器變化；應變片粘貼后，膠質(zhì)變軟，精度下降等。,當環(huán)境相對濕度增加時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部，降低了絕緣強度，造成了漏電、擊穿和短路現(xiàn)象。潮濕還會產(chǎn)生原電池電化學干擾電壓。,⒍ 化學的干擾酸、堿、鹽等化學物品以及其他腐蝕性氣體，除了具有化學腐蝕性作用將會損壞儀器設

6、備和元器件外，又能與金屬導體產(chǎn)生化學電動勢，從而影響控制儀表的正常工作。 某些化學物品如酸、堿、鹽、各種腐蝕氣體及沿海的鹽霧也會造成與潮濕類似的漏電腐蝕現(xiàn)象，必須采取浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等保護措施。,⒎電和磁的干擾電和磁可以通過電路和磁路對控制儀表產(chǎn)生干擾作用，電場和磁場的變化會在控制儀表的有關(guān)電路或?qū)Ь€中感應出干擾電壓，從而影響控制儀表的正常工作。電和磁的干擾對于控制儀表來說，是最為普遍和最為嚴重的干擾。本節(jié)介紹的內(nèi)容，主

7、要是抗電和磁的干擾。,控制儀表是由敏感的電子線路構(gòu)成，它們的工作電流很小，并帶有微處理器，故受電磁干擾的影響很大。電磁環(huán)境同溫度、濕度、塵埃、振動、光、有害氣體一樣，是控制儀表工作環(huán)境的一個部分，只是它不易為人們感受到罷了。為了保證它們能正常工作并有較高的可靠性，控制儀表在設計和制造過程中必須經(jīng)受再現(xiàn)和模擬其工作現(xiàn)場可能遇到的電磁干擾環(huán)境的各種試驗，以使它們的技術(shù)特性符合電磁兼容性要求，否則便會性能下降，工作不正?；虬l(fā)生故障。,控制儀

8、表受電磁環(huán)境干擾的干擾源主要來自靠近敷設的動力線、各類開關(guān)裝置、接觸器、繼電器、電焊機以及對講機、廣播電臺、電視臺等產(chǎn)生的電磁輻射。帶有靜電荷的操作人員也能產(chǎn)生干擾。,電吹風機產(chǎn)生的電磁波干擾有兩個途徑：一是通過共用電源插座；二是以空間電磁場傳播的方式由電視機的天線接收。,干擾源產(chǎn)生的干擾可以是磁的、電的或電磁的，它們通過儀表的供電線、信號輸入輸出線和外殼，以電感耦合，電容耦合、電磁輻射等形式串入干擾電壓或因本地和遠方的地(零)電位不

9、同而直接導入。特別需要注意的是變送器在聯(lián)校、檢查和維護時使用的無線電對講機。其天線附近會形成很強的電磁場。因為距離變送器近。所以對儀表有很大的干擾。為此，變送器在安裝時，應考慮密封屏蔽，使用金屬導線管或屏蔽電纜接線。對講機離儀表不要太近，功率不要太大，且不要在儀表蓋打開的情況下使用。,二、內(nèi)部干擾干擾有時也來自儀表內(nèi)部，如電源變壓器、導線、印刷電路、電子元件之間的電感、電容或元器件內(nèi)部的噪聲干擾。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造

10、工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖所示，有分布電容、分布電感引起的耦合感應，電磁場輻射感應，長線傳輸造成的波反射；多點接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設備中各種寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。,內(nèi)部干擾,第二節(jié) 干擾的途徑干擾的途徑是指干擾信號的耦合方式，耦合方式主要有下列幾種。,一、經(jīng)過漏電電阻耦合理想的絕緣體是不存在的，通常的絕緣材料在較高的電壓下都有一定的漏電流，特別是表面潮

11、濕或有酸、堿沾污的情況下，漏電更為嚴重。像陶瓷之類材料，在常溫下是相當優(yōu)良的絕緣體，但在高溫下其電阻就會下降。因此，測電爐溫度的熱電偶，其瓷套管會在高溫下將加熱電源的電流漏到測溫電路中去，形成很大的干擾信號。,當儀表的信號輸入端子與220V電源進線端子之間產(chǎn)生漏電、印刷電路板上前置級輸入端與較高電壓整流電路存在漏電等情況下，噪聲源可以通過這些漏電電阻作用電路而造成干擾。被干擾點的等效阻抗越高，由漏電阻產(chǎn)生的干擾越大。,漏電是沿表面進行的

12、，如能保持絕緣件表面清潔干燥，則有利于防漏電干擾。用于濕熱氣候條件下的儀表或室外安裝的儀表，其防水防潮能力絕不僅僅是預防銹蝕的必要條件，也是防漏電干擾的措施之一。正因為漏電是沿表面進行的，所以，如果將絕緣件表面做成凹凸曲折的形狀，加大漏電傳輸距離，也能削弱漏電的影響。接線端子之間隆起的絕緣板（擋塊），既能防止短路，又有加強絕緣、減少漏電的作用。,變壓器的不同繞組之間設置金屬屏蔽層，并把它接地，雖然主要目的是避免兩繞組間的分布電容構(gòu)成交流

13、干擾的途徑，但同時它也兼有防漏電干擾的作用。二、經(jīng)過公共阻抗耦合兩個電路使用同一電源，或有某一段共用導線，或接在同一地線上，這時由于電源具有內(nèi)阻，導線和地線都有電阻，電流在公共阻抗上所形成的壓降將以電信號的形式耦合到另一電路中去。無論儀表內(nèi)外，都有可能出現(xiàn)這種耦合關(guān)系，從而引起干擾。,在圖4-1所示電路中，當用一個內(nèi)阻為r的電源U對A、B兩部分電路供電時，任何一部分電路的電流變化都會在公共阻抗r上產(chǎn)生干擾電壓，造成對其他電路的干擾

14、，圖中為干擾電壓疊加的結(jié)果。,,,公共地線的阻抗耦合,如果系統(tǒng)的模擬信號和數(shù)字信號不是分開接地的，如圖a和圖b所示，則數(shù)字信號就會耦合到模擬信號中去。在圖c中模擬信號和數(shù)字信號是分開接地的，兩種信號分別流入大地，這樣就可以避免干擾，因為大地是一種無線吸收面。,負載（喇叭）的電流較大，它與放大器的負電源線共用了一段地線，在地線的微小電阻上產(chǎn)生了壓降，造成了干擾。,對于共用導線，應在設計電路或印刷電路板時盡量避免，尤其是對弱電信號和強

15、電信號，切忌它們共用導線。經(jīng)過公共阻抗耦合而來的干擾，可以是交流的，也可以是直流的，這一點和漏電干擾相似。三、電場耦合交流干擾信號能夠經(jīng)過分布電容進入儀表電路，特別是高頻率或高電壓的干擾源，這種危害尤其顯著。在相距較近的平行導線間，如果導線長度很長，分布（寄生）電容不可忽視，其影響可用圖4-4說明。,對串模干擾的抑制較為困難，因為干擾Un直接與信號Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。,電場耦合的實質(zhì)是電容性耦合。要減少電源線

16、對信號線的電場耦合干擾，就必須加大信號線與電源線的距離，減小兩者間的分布電容，必須盡量保持電路和信號線的對地平衡，布線時，多采用雙絞屏蔽線。,分布電容為CAG及CBG。設導線A上的交流正弦電壓為U1，儀表的輸入阻抗為R，導線B上因電場耦合而出現(xiàn)干擾電壓，上述電路可等效為圖4-2(b)。根據(jù)此等效電路, 對節(jié)點B,由支路電流法（符號法）可求得干擾信號。圖4-2(a)中的長導線A和B平行，其間分布電容為CAB，各線對地符號法就是用復數(shù)來表

17、示正弦量的振幅或有效值和初相，使描述正弦電流電路的方程轉(zhuǎn)換為復數(shù)形式的代數(shù)方程，而這些方程在形式上又與直流電路的方程類似，從而使正弦電流電路的計算和分析大為簡化。,,,,,,,,Rω(CAB+CBG)>>1,,這種情況下，與頻率沒有關(guān)系，且不再與R的大小有直接關(guān)系，但儀表引線對地電容CBG越小，干擾則越嚴重?？梢?，當導線B架空但又與A接近時，CBG小，而CAB大，其干擾將格外嚴重。電場耦合的干擾，只有通過合理設計布線，或采

18、取屏蔽措施，才能削弱或避免。不能寄希望于減小R和加大CBG，因為這將使有用的交流信號衰減。,分布電容引起的干擾同樣存在于印刷電路板和變壓器繞組上，尤其在有高頻干擾源的情況下更為突出。但電場耦合只會產(chǎn)生交流干擾，直流干擾不可能通過這一途徑產(chǎn)生。,四、磁場耦合磁場耦合包括交流電流通過互感作用在平行導線間傳遞，或者交流電流產(chǎn)生的交變磁場穿過導線環(huán)形成感應電勢。這兩種表現(xiàn)的實質(zhì)是一樣的，都是電能經(jīng)過磁場交連之后又恢復成電信號的過程，其等效電路

19、如圖4-3所示。,圖4-3(a)中交流電源電壓經(jīng)導線A供給負載，與之平行的導線B為直流電路，在電源的作用下向負載提供有用信號。對直流測量系統(tǒng)而言，E為信號源，為儀表的輸入阻抗。在導線A、B之間存在著互感，因此使得上除應有直流信號外，同時會得到由干擾源引起的交流干擾信號。該電路可以等效為圖4-3(b)，和代表導線A和B的自感。,由于A、B相互靠近，在互感的作用下A與B相當于變壓器的效應，所以上的電壓含有交流成分，這個交流成分完全是干擾的結(jié)

20、果。在不考慮有用的直流信號時，互感產(chǎn)生的干擾信號為,,可見磁場耦合引起的干擾是與頻率及電流成正比的，而且互感系數(shù)越大，干擾越顯著。,其中： ω為感應磁場交變角頻率 M為兩根導線之間的互感 I1為導線1中的電流,例題：某信號線，與電壓為220V（AC）、負荷為10KVA的輸電線的距離為1m，并且平行走線10m，兩線之間的互感為4.2μH，按上式計算出信號線上感應的干擾電壓Un。Un=ωMI1=2π×50×4

21、.2×（10-6）× 10000/220=59.98(mV) 可見，這樣大的干擾，足以淹沒小信號。,減少這種干擾的辦法，除布線彼此盡量遠離，尤其要避免相互平行，除此之外，也可以采用雙絞線，同軸電纜或磁屏蔽法。只有交流電流產(chǎn)生的變化磁場有干擾作用，而恒定磁場不會使靜止的導線上產(chǎn)生感應電動勢。,五、差模干擾與共模干擾各種干擾源對控制儀表產(chǎn)生的干擾，必然是通過各種耦合通道進入測量電路，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)干擾進入測

22、量電路的方式不同，可將干擾分為差模干擾與共模干擾兩種。,差模干擾也稱為常模干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾、差模干擾；共模干擾也稱為共態(tài)干擾、縱向干擾、對地干擾。⒈ 差模干擾差模干擾是使信號接收儀表的一個輸入端電位相對另一個輸入端子電位發(fā)生變化，即干擾信號與有用信號是迭加在一起，送至信號接收端。它是一種直接干擾。,差模干擾作用在儀表的兩個輸入端子之間，因此有“橫向干擾”之稱。其效果如同干擾信號與有用信號串聯(lián)后送到儀表輸入端一樣。在圖4-4(

23、a)中，干擾源經(jīng)過導線A分別以漏電阻、公共阻抗、電場、磁場四種耦合方式傳播到B1～B4電路中。為了便于區(qū)分，圖中把有用信號源畫成直流E，把儀表畫成直流電流表的符號。以上四種干擾途徑雖然不同，其效果卻是一樣的，都可等效為圖4-4(b)，即干擾信號和有用信號E相當于串聯(lián)關(guān)系，兩者共同施加在儀表上。,串模干擾示意圖,一般來說，有用信號E是緩慢變化的直流信號，差模干擾信號U1多為變化較快的雜亂交變信號和工頻干擾（50Hz）。在這種情況下，通過濾

24、波消除干擾是常用的方法。當干擾信號與有用輸入信號頻率相近時，常規(guī)濾波就很難起作用，需要靠消除干擾源或特定的濾波方法來抑制干擾?？刂苾x表或檢測系統(tǒng)對差模干擾的抑制能力常采用差模抑制比來衡量。所謂抑制比，是指系統(tǒng)限制某種不受歡迎的信號進入系統(tǒng)的能力，并且通過系統(tǒng)的輸出變化量來判斷有多少不受歡迎的信號進入了系統(tǒng)。,關(guān)于抑制比可以打一個比方：一些次品被堵在工廠的大門口，有多少次品能混出去？可以用抑制比來衡量。假設有1000個次品堵在工廠的大門

25、口，有一個次品混出去，則抑制比=1000︰1，用分貝表示就是20lg（1000︰1）=60dB(也就是說有千分之一混出去)；如果有10個次品混出去，則抑制比=1000︰10，用分貝表示就是20lg（1000︰10）=40dB(也就是說有百分之一混出去)。差模抑制比和共模抑制比的含義與此類似。,在控制儀表中，50Hz交流差模信號為不受歡迎的信號，即干擾信號。50Hz交流差模信號直接疊加在被測量的模擬信號上，如果不加處理，將完全反映到測量結(jié)

26、果中。差模干擾信號通過圖4-5所示的方式疊加到控制儀表的輸入端。,圖中：Ui為被測信號；Uin為50Hz交流差模信號；Uo為被測信號的輸出值；Uon為差模干擾的輸出值。（Un=Uin,Ud=Uoni）在控制儀表指標中，針對其抑制50Hz交流差模信號的抑制能力，定義了差模抑制比NMRR。,式中：Kd為直流差模放大倍數(shù)；Kn為50Hz差模信號放大倍數(shù)。由NMRR可以計算出有多少成分的50Hz差模信號“混入”了系統(tǒng)。,,,式中：Uin為輸

27、入的50Hz差模信號；Ud為衰減后進入系統(tǒng)的差模信號。,【例4-1】已知NMRR=60dB，50Hz差模信號（峰值）為5V,試求混入系統(tǒng)的干擾信號值。解：由（4-11）得,,在控制儀表中，為了獲得高的NMRR必須在信號調(diào)理環(huán)節(jié)中采用濾波器，或采用軟件濾波算法，濾出50Hz及50Hz的倍頻信號。,⒉ 共模干擾共模干擾是相對于公共的電位基準點(通常為接地點)，在信號接收儀表的兩個輸入端子上同時出現(xiàn)的干擾。共模干擾可以是直流電壓，也可以是

28、交流電壓，其幅值可達幾伏甚至更高。共模干擾同時出現(xiàn)在兩個信號輸入端和地之間，它對兩根信號導線的作用完全相同，儀表的兩個輸入端子之間并無干擾信號，但這兩個端子和地之間卻出現(xiàn)了干擾信號，因此有“縱向干擾”之稱。,共模干擾等效電路和造成共模干擾的原因如圖,熱電偶引線與220V電源線靠得太近將引起電場耦合干擾。如果UNi對兩根信號傳輸下線的干擾大小相等、相位相同，就屬于共模干擾。,造成共模干擾的主要原因是被測信號的參考接地點和檢測儀表輸入信號的

29、參考接地點不同，因此就會產(chǎn)生一定的電壓。雖然它不直接影響結(jié)果，但是當信號接收儀表的輸入電路參數(shù)不對稱時，它會轉(zhuǎn)化為差模干擾，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。共模干擾見圖4-6。,圖4-6(a)為用熱電偶測量電阻器表面溫度的示意圖。電阻R由交流電源通電加熱，熱電偶的有用信號是直流電勢E。在這種情況下，圖R的下段電壓降作用在熱電偶的焊點上，必然使導線a和b都對地具有相同的交流電壓，這就使得儀表的兩個輸入端子對地出現(xiàn)共模干擾信號。,圖4-6(b)是交流導

30、線A對信號線a和b具有分布電容的情況。如果分布電容均勻?qū)ΨQ，a和b所接受的干擾信號相同，這時信號電路對地形成共模干擾。 圖4-6(c)是信號源接地點X和儀表外殼接地點Y之間電位不等，具有交流電位差的情況。對儀表來說，信號電路整體和地之間也有共模干擾信號。,各種共模干擾的來源盡管不同，等效電路都可以畫成圖4-6(c)的形式。雖然以上實例都把干擾源假定成交流，但直流干擾也同樣有差模、共模兩種形式。值得注意的是，差模干擾信號和有用信號

31、相當于串聯(lián)在一起，它進入儀表后肯定會造成有害影響；共模干擾僅僅是使儀表電路對地電位有變化，似乎不會妨礙儀表工作。,以圖4-6(a)為例，當導線a、b及儀表內(nèi)部電路對地阻抗為無窮大時，共模信號根本不能形成電流，理論上說確實不會影響儀表工作。但是實際導線和儀表電路的對地絕緣不可能十分理想，在電壓的作用下是有一定電流的。不過倘若導線a和b對地的阻抗完全對稱，則兩根導線上的干擾電流大小相等、方向相反，對儀表而言仍然沒有影響。倘若導線a和b對地的

32、阻抗不完全對稱，則兩根導線上的干擾電流大小不相等、由于方向相反，其差值將對儀表造成影響。,由此可見，共模干擾只有在它轉(zhuǎn)化為差模干擾之后，才會引起測量誤差或?qū)x表產(chǎn)生影響，也只有經(jīng)過這種轉(zhuǎn)化之后，共模干擾的危害才充分表現(xiàn)出來。正是因為實際的儀表里很難做到兩導線對地阻抗完全對稱，所以上述轉(zhuǎn)化的機會很多，這就必須對共模干擾加以防范。,對于系統(tǒng)干擾來說，共模干擾大都通過差模干擾方式表現(xiàn)出來。由Ucm引起系統(tǒng)輸入的差模電壓為：,兩種輸入方式的共

33、模電壓的引入,(a) 單端輸入,(b) 雙端輸入,⑴直流共模信號。直流共模信號的加入會直接導致測量結(jié)果的偏移，過高的直流共模信號會造成輸入信號超過儀表放大器的共模輸入范圍，造成嚴重失真，更高直流共模信號會直接損壞系統(tǒng)。⑵50Hz交流共模信號。在過程控制中，不會有輸出信號頻率為50Hz的變送器，而以50Hz電網(wǎng)頻率為特征的工頻干擾無處不在，這些信號對測量結(jié)果同樣造成影響。,共模干擾信號通過圖4-7所示的方式疊加到控制儀表的輸入端。圖中：

34、Ui為被測信號；Uic為直流或50Hz交流共模輸入；Uo為被測信號的輸出值；Uoc為共模干擾的輸出值。在控制儀表指標中，針對其抑制直流或50Hz交流共模信號的抑制能力，定義了共模抑制比CMRR。,,式中：Kd為差模放大倍數(shù)。Kc為共模放大倍數(shù)。通過儀表放大器，可以有效地衰減掉絕大部分的共模輸入信號。但是，有一些儀表放大器的電路結(jié)構(gòu)不對稱性，使得共模輸入信號轉(zhuǎn)換為微弱的等效差模輸入信號，從而“混入”了系統(tǒng)。根據(jù)CMRR的定義，可以計算出

35、與共模信號等效的差模信號（即“混入”成分）。,式中：Uic為50Hz正弦共模輸入峰值信號；Ud為共模輸入Uic等效的差模輸入信號?！纠?-1】已知CMRR=120dB，共模信號為5V,試求混入系統(tǒng)的差模干擾輸入信號值。解：由（4-13）得,,,第三節(jié) 抗干擾的措施要想抗干擾，首先要了解干擾的來源、性質(zhì)、傳播途徑和電路接收干擾的敏感性。歸納起來，形成干擾的因素，主要有干擾源、干擾途徑和干擾對象三方面的因素。為消除干擾，就要從這三項因

36、素著手，即消除或抑制干擾源；破壞干擾引入的途徑；削弱干擾接收對象對干擾的敏感性?？垢蓴_的具體措施很多，比較有效的辦法有以下幾種。,一、隔離在現(xiàn)場環(huán)境中，弱電或低電平的測量信號回路常常會串入或感應產(chǎn)生較強電壓。如用熱電偶測量溫度，信號是“毫伏”級，而周圍環(huán)境存在的380、440、6000VAC交流電壓，它們可能感應或直接串入測量回路，產(chǎn)生數(shù)十伏、數(shù)百伏的感應電壓，如不隔離，這些強電進入測量回路勢必會損（燒）壞芯片、卡件。目前常用的隔離方

37、法是變壓器隔離和光電隔離。在DCS系統(tǒng)中大多采用光電隔離，光電隔離的能力可達1500V交流峰峰值或1500VDC。,⒈變壓器隔離變壓器的特點是原邊與副邊之間有較好的絕緣，原邊與副邊的兩個繞組在電路上互相隔離，使交流信號可以經(jīng)過磁的交連進行傳遞。利用這一特點變壓器能夠使有用的交流信號在原邊和副邊之間通過，而把有害的直流共模干擾信號所形成的地環(huán)電流隔斷。,這種隔離適用于無直流分量信號的通路。,變壓器只能傳送交流信號，對于直流信號，也可通過

38、調(diào)制器變換成交流信號，經(jīng)隔離變壓器后，用解調(diào)器再變換成直流信號，如圖所示。,變壓器隔離辦法在數(shù)字控制儀表中也有較多應用，它對于重復接地引起的共模干擾和信號混亂，有明顯的抑制作用。如果在變壓器的原邊和副邊之間，增添接地的金屬屏蔽層，效果將更好。,⒉ 光電隔離對于數(shù)字信號、頻率調(diào)制或脈寬調(diào)制信號，可以用更為簡單的隔離辦法，即采用光電器件隔離，圖4-9所示光電隔離器為光電三極管型光耦合器。光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管（或達林頓管

39、、或晶閘管等）封裝在一個管殼內(nèi)組成，實現(xiàn)以光為媒介的電信號傳輸。由于光電耦合器是用光傳送信號，兩端電路無直接電氣聯(lián)系，因此，切斷了兩端電路之間地線的聯(lián)系，抑制了共模干擾。發(fā)光二極管動態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入端的干擾信號很小。光電耦合器的發(fā)光二極管只有在通過一定電流時才能發(fā)光，由于許多干擾信號雖幅值較高，但能量較小，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，從而可以有效地抑制干擾信號。,光電隔離器是由發(fā)光二極管和

40、光敏晶體管封裝在一起構(gòu)成的。由于發(fā)光二極管的亮度和所通過的電流并不是直線關(guān)系，光敏晶體管的輸出電流和被照射的光強也不是正比關(guān)系，所以一般不宜用來傳遞模擬信號。雖然專門用于直接傳遞模擬信號的光電隔離器也已研制成功，但價格要貴得多。,通常把光電隔離器用在脈沖信號傳遞上，或者按圖4-9所示那樣，把直流信號經(jīng)過電壓／頻率(U／f)變換，控制發(fā)光二極管亮滅的頻率，通過隔離器傳遞到數(shù)字電路中去。光電隔離器的兩側(cè)完全沒有電的聯(lián)系，是靠光傳遞信息的，所

41、以共模干擾將被阻擋在一側(cè)，無法通過。這一性質(zhì)和變壓器隔離相似，但是光電隔離器更小巧緊湊，而且適用于很寬的頻率范圍，它也不受磁場影響。不過變壓器的信息傳遞方向可以對換，變比可以任意設計。,必須指出，無論是變壓器隔離或光電隔離，被隔開的兩電路不允許有任何電的聯(lián)系，不然就前功盡棄了。但通常兩電路總是需要電源的，電源又往往由同一個變壓器供給，這時就必須分別使用兩個獨立的副邊繞組和兩套整流穩(wěn)壓系統(tǒng)分別向被隔離的兩個電路供電。,⒊ 隔離放大器隔離

42、放大器是帶隔離的放大器，其輸入電路、輸出電路和電源之間沒有直接的電路耦合，信號的傳遞和電源的傳遞均通過變壓器或光電耦合（多用變壓器耦合，因光電耦合線性度較差）實現(xiàn)。隔離放大器不僅具有通用運算放大器的性能，而且輸入公共地與輸出公共地之間具有良好的絕緣性能。隔離放大器的符號如圖4-10所示。,普通的差動放大器和測量放大器，雖然也能抑制共模干擾，但卻不允許共模電壓高于放大器的電源電壓。而隔離放大器不僅有很強的共模抑制能力，而且能承受上千伏的高

43、共模電壓。因此，隔離放大器一般用于信號回路具有很高（數(shù)百伏甚至數(shù)千伏）的共模電壓的情況下，且要求仍然正常工作、安全使用的場合。,二、中和變壓器（縱向扼流圈）中和變壓器是在同一鐵心或磁心上繞兩個匝數(shù)相等、尺寸相同的線圈構(gòu)成的，其功用不是變壓而是感抗。由于中和變壓器對低頻信號電流阻抗很小，對縱向的噪聲電流卻呈現(xiàn)很高的阻抗。因此，這種做法特別適應于超低頻。在兩根導線上流過的信號電流(實線)是方向相反、大小相等。而流經(jīng)兩根導線的噪聲電流（虛線

44、）則是方向相同、大小相等。這種噪聲電流叫縱向電流，也叫交流共模電流。,在圖4-11中，電路1和電路2之間如因多點接地而出現(xiàn)共模干擾電壓Un，它將沿圖中虛線方向形成環(huán)流，這個環(huán)流在中和變壓器的兩個繞組里都是按相同的方向流過，即都從有黑點的一端流入，從另一端流出，相當于流過一個大感抗元件，所以電流很小。但是，有用信號是沿圖中實線箭頭方向流動，在其中一個繞組里從有點（同名端）的一端流入，在另一個繞組里卻從無點的一端流入，方向相反，而變壓器的匝

45、數(shù)相等，所以對有用的直流信號而言，這里不存在感抗，相當于純電阻作用，而且其電阻也很小，因此壓降就很小，這樣就起了抑制共模交流干擾的作用，但中和變壓器對直流共模干擾無抑制作用。,三、浮空浮空也是抗共模干擾的有效措施。把信號導線和儀表電路完全用絕緣材料架空起來，不使它們和接地的金屬外殼相碰，這就叫做浮空,如圖4-12所示。圖中：Ur為有用信號源；R為有用信號源內(nèi)阻；Un為干擾源（共模電壓）。,雙層屏蔽,單層屏蔽對空間的電磁耦合干擾敏感，一

46、般采用雙層屏蔽,一個完全浮空的電路，即使存在共模電壓，也無法形成電流。無論兩根輸入導線對地阻抗是否對稱，都不會把共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾，而純共模信號是不會妨礙儀表正常工作的(在一定限度內(nèi))。這是從防止轉(zhuǎn)化方面采取的抗干擾措施。從本質(zhì)上看，浮空和變壓器隔離、光電隔離的出發(fā)點是一樣的，都是設法切斷共模信號的通路。,四、屏蔽利用銅或鋁等低電阻材料制成的容器，將需要防護的部分包起來或者利用導磁性良好的鐵磁材料制成的容器將需要防護的部分包起來，

47、此種防止靜電或電磁的相互感應所采用的技術(shù)措施稱為屏蔽。屏蔽分為磁場屏蔽和電場屏蔽兩種措施，屏蔽的目的就是隔斷電場和磁場的耦合通道。,變壓器的屏蔽,未加屏蔽罩時中頻變壓器線圈易受外界干擾。,加屏蔽罩時中頻變壓器線圈不易受外界干擾。,磁場屏蔽用高導磁率的材料制造，它能使干擾磁通旁路，從而避免和被保護的電路交連，而且交變的干擾磁通常會在導電屏蔽層內(nèi)形成渦流，渦流效應又會削弱外界磁場的強度。鐵和鈹莫合金之類材料制成的屏蔽層，兩種作用都有，可

48、使干擾磁場對電路失去影響。在電源變壓器附近的弱信號電路應避免磁場干擾，可用鐵或鈹莫合金板遮擋起來。電子儀器里為了消除高頻電路產(chǎn)生互感干擾，也常用磁屏蔽。理想情況下，把磁屏蔽層做成空心球狀，完全封閉，球內(nèi)空間的磁場強度將比無屏蔽時顯著減弱。,電場屏蔽亦稱“靜電屏蔽”，在靜電場作用下，導體內(nèi)部無電力線，即各點電位相等。靜電屏蔽就是利用了與大地相連接的導電性良好的金屬容器，使其內(nèi)部的電力線不外傳，同時外部的電場也不影響其內(nèi)部。使用靜電屏蔽技術(shù)

49、時，應注意屏蔽體必須接地，否則雖然體內(nèi)無電力線，但導體外仍有電力線，導體仍受到影響，起不到靜電屏蔽的作用。,多數(shù)儀表外殼采用導磁材料（例如鐵質(zhì)機柜）作屏蔽層，讓干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽上通過，使受外殼保護的內(nèi)部電路免受磁場耦合干擾。,（4）信號電纜與電源電纜必須分開，并盡量避免平行敷設。如果現(xiàn)場條件有限，信號電纜與電源電纜不得不敷設在一起時，則應滿足以下條件： ①電纜溝內(nèi)要設置隔板，且使隔板與大地連接，如圖8-17（a）所示

50、。 ②電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設時，信號電纜與電源電纜間距一般應在15cm以上，如圖8-17（b）（c）所示；如果電源電纜無屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時，兩者間距應在60 cm以上。 ③電源電纜使用屏蔽罩，如圖8-17（d）所示。,五、接地接地也是抗干擾的重要手段，但是錯誤的接地不僅起不了抗干擾作用，反而會使干擾加強。例如圖4-13(a)所示的三個電路，各自的地線都接到公共地線上，因公共地線有電阻

51、，在線段r1、r4 、r3 上有不同的地電流，所形成的壓降將干擾其他電路，這就是前面所說的公共阻抗耦合提供了干擾途徑。,若把接地點變成圖4-13(b)所示的接法，使三個電路的地線電阻互相獨立，不論各自的地電流如何，對別的電路沒有任何影響?？梢?，接地點可以共用而接地線不能共用，這一原則對互相關(guān)連的多個電路尤為重要。設電路1的輸出信號供給電路2，電路2又將信號送至電路3，這種情況下就必須把接地點合在一處，不能分設在三個不同地點。,有人誤認為

52、兩處接地比單獨一個接地點可靠，于是在圖4-13(a)所示的公共地線左端也設一個接地點，形成兩處接地點用導線相連的方式，把各個電路的地線都接到這根導線上。其實，這種接法同樣有公共阻抗耦合作用，而且兩接地點之間的電位差在導線上產(chǎn)生電流，使各電路的地線間出現(xiàn)分壓，所以共模干擾依然存在?？傊貜徒拥赜泻o益。,六、信號導線的抗干擾 熱工控制儀表的電信號都是低電壓小電流，從導線電負荷上考慮，并不需要很大的截面積。但因工業(yè)現(xiàn)場距離較遠，環(huán)

53、境惡劣，為使電阻較小，并有足夠機械強度，通常都選用截面積不小于的多股導線。多股導線的好處是柔軟易彎曲。根據(jù)抗干擾的要求，可以用雙絞線、平行線、屏蔽線或同軸電纜。,信號導線長度大，最容易受電場干擾和磁場干擾，如果附近有和它平行的動力線，僅就電場干擾而論，就有下式的關(guān)系： (4-14)式中：es為電場干擾信號(mV)；L為平行敷設的長

54、度(m)；C為等效分布電容(μF／m)；Re為信號源內(nèi)阻和負載電阻的并聯(lián)值(Ω)；K為信號線系數(shù)（平行線K=1；雙絞線K=0.1 ；屏蔽雙絞線K=0.01）； U為干擾源的電壓(V)。,,,當信號線與低電壓大電流的動力線(例如電焊、電鍍、電加熱設備的電源線)平行敷設時，主要干擾是磁場干擾。其干擾信號值可用下式計算：

55、 (4-15)式中：em為磁場干擾信號(mV)；L為平行敷設導線的長度(m)；D為信號線與動力線的距離(mm)；I為動力線上的電流(A)；K為信號線系數(shù)，其值的選取同前。,,用雙絞線傳輸信號可以消除電磁場的干擾。這是因為在雙絞線中，感應電勢的極性取決于磁場與線環(huán)的關(guān)系。圖4-14顯示出外界磁場干擾在雙絞線中引起感應電流的情況。由此圖可以看出，外界磁場

56、干擾引起的感應電流在相鄰絞線回路的同一根導線上方向相反，互相抵消，從而使干擾受到抑制。雙絞線與不進行絞合的平行線相比，在同樣條件下前者的磁場干擾信號只有后者的1／10。雙絞線的節(jié)距越短，電磁感應干擾就越低。雙絞線中途不能接地。雙絞線的使用比較簡單、方便和經(jīng)濟，用一般塑料護套線扭絞起來即可。,雙絞線有抵消電磁感應干擾的作用，但兩股導線間的分布電 容卻比較大，因而對靜電干擾幾乎沒有抵抗力。 屏蔽層接地的屏蔽線能有效抵抗靜電干擾，但

57、對外界交變磁 場產(chǎn)生的感應干擾的抑制能力較差。 工程中：將雙絞線穿在鋼管或金屬蛇皮管中，并將管子接 地。,有屏蔽層的導線對于磁場干擾來說并無減弱作用，這是因為一般屏蔽層為銅絲編織而成，對磁場干擾的防止全然無效，它是專為預防電場干擾制造的。對于磁場干擾必須用鐵管屏蔽。穿在鐵管中的導線，由于鐵管的接地已兼有電場屏蔽的作用，故管內(nèi)無需再用屏蔽導線。,從減小干擾的角度考慮，最根本的措施是信號線遠離動力線。萬一它們不

58、可避免地在同一條電纜溝內(nèi)敷設，要分別沿溝的兩側(cè)走線，或分上下兩層布置，并在兩者之間加接地金屬板，以資屏蔽。無屏蔽時，兩類導線之間的距離不可小于15cm，最好相距60cm以上。如導線在管中穿過，絕對不允許將信號線和動力線穿在同一管里。,要特別注意，金屬管只有接地后，才有電場屏蔽作用，只有鐵管才能屏蔽磁場干擾。雙絞線由于兩線形成的線環(huán)極小，又正反方向交替，對防止電場干擾和磁場干擾都有好處。至于同軸電纜的抗干擾能力，更是人所共知，特別是對高

59、頻信號的傳遞，是其他導線無法比擬的。,七、濾波 濾波是抑制差模干擾或抑制由共模干擾轉(zhuǎn)化成的差模交流信號的有效手段。在前述各種抗干擾措施之下，如果仍有殘余交流干擾信號，只有依靠濾波的辦法消除。 濾波電路有兩類，即單純用RC電路構(gòu)成的無源濾波器和有運算放大器的有源濾波器。按頻率特性又可分為低通、高通、帶通及帶阻濾波器。,下面以一個簡單的RC電路，介紹濾波原理。單純用RC電路構(gòu)成的“L”形無源濾波器如圖4-15所示。在儀表輸入